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板式空气全热交换器在上海地区的应用性分析点击：2013 日期：[ 2014-04-26 21:14:34 ] |
| 板式空气全热交换器在上海地区的应用性分析 马力双，杨洁，张旭 (同济大学暖通空调研究所，上海201804) 摘要：以实际工程运用为例，分析了板式空气全热交换器引入空调系统后对于系统运行能耗的影响。根据实测数据计算了全热交换器的全热效率、潜热效率和显热效率，并且得出了在设备使用年限内静态和动态投资回收期分别为2.8年和3.3年。板式空气全热交换器在上海地区具有很好的应用前景。 关键词：板式空气全热交换器投资；空调系统；能耗；投资回收期 中图分类号：TU831文献标志码：A文章编号：1673-7237(2011)08-0016-03 0·引言 在办公建筑的空调系统中，由于新风需求较高，新风负荷占空调总负荷的比例较大，尤其是在对室内空气品质要求日渐提高的基础上，新风负荷的数值更为上升。随着建筑节能的发展，人们对于节能措施的关注度越来越高。在保证室内空气品质的前提下，如何降低新风处理系统中的能耗也就相应成为空调节能的重要环节。根据2005年版公共建筑节能设计标准(GB50189—2005)中规定：“送风量大于或等于3 000 m3/h的直流式空气调节系统，且新风与排风的温差大于或等于8℃；设计新风量大于或等于4 000 m3/h的空气调节系统，且新风与排风的温差大于或等于8℃；宜设置排风热回收装置。”[1]新风负荷包括了显热负荷和潜热负荷，这两种负荷的比例在不同气候区域是不同的。全热交换器不仅能回收排风中的显热部分，还能通过传递排风和新风之间的水蒸气，实现潜热交换，而显热交换器主要是回收排风中的显热部分。上海地区的气候特点是春天暖和，夏季炎热多雨，秋天凉爽，冬季阴冷，全热交换器的应用前景是很好的。本文将针对板式空气全热交换器在上海地区空调系统中的应用进行分析。 1·板式全热交换器 1.1板式全热交换器的性能参数 空调系统中的全热交换器的选型根据建筑物所需要的总新风量进行选择，本文所选用的全热交换器的性能参数见表1。 表征换热器换热效果的物理量有3个，分别为显热效率、潜热效率和全热效率。计算方法为： 显热效率：ηi=(t11-t12)/(t11-t21)×100%(1) 潜热效率：ηd=(d11-d12)/(d11-d21)×100%(2) 全热效率：ηh=(h11-h12)/(h11-h21)×100%(3) 式中：t11、t12为新风进、出口温度，℃； t 21为排风进口温度，℃； d 11、d 12为新风进、出口含湿量，g/kg；d 21为排风进口含湿量，g/kg； h 11、h 12为新风进、出口的焓值，kJ/kg； h 21为排风进口的焓值，kJ/kg。 1.2对空调系统的影响 在建筑空调系统中引入全热交换器以后，系统中的新风将回收排风中的部分能量，进而导致新风负荷的减少。空调系统冷热负荷的减少会造成空调机组的能耗降低，但是全热交换器的引入增加了新排风系统的阻力进而导致风机的能耗加大。 风机(送风机、排风机)的能耗增加： Ne=Pe(Ge+Gf)/ρaηe(4) 式中：Ne为风机需要增加的风压，kPa，其中包括加设全热交换器后克服阻力所需要增加的风压以及送风、排风管道所增加的风压； ηe为排风机的全压效率； Ge为空调系统的排风量，m3/h； Gf为空调系统的新风量，m3/h。 制冷机组的能耗减少： Nr=Gf(h 11-h 12)/COPηr(5) 式中：ηr为低温供冷时制冷机蒸发器侧制冷剂与空调水系统冷冻水之间换热器的换热效率，常温冷源供冷时ηr=100%； COP为制冷机的性能系数。 冷冻水泵的能耗减少： Nchw=Hchw Gf(h 11-h 12)/ρwηchw cchw t chwηr(6) 式中：cchw为冷冻水的比热容，kJ/(kg·K)； tchw为冷冻水的供回水温差，℃； Hchw为冷水泵的扬程，Pa； ρw为冷水的密度，kg/m3； ηchw为冷冻水泵的全压效率。 冷却水泵的能耗减少： Nc ow=Hc ow mc ow/ρwηc o w=[Gf(h 11-h 12)/cc o w t c o w ηr](1+1/COP)(7) 式中：tcow为冷却水的供回水温差，℃； Hcow为冷却水泵的扬程，Pa； ηcow为冷却水泵的全压效率。 热水泵的能耗减少： Nhw=Hhw Gf(h 11-h 12)/ρhwηhw chw t hw(8) 式中：chw为热水的比热容，kJ/(kg·K)； t hw为热水的供回水温差，℃； Hhw为热水泵的扬程，Pa； ρhw为热水的密度，kg/m3； ηhw为热水泵的全压效率。 空气全热交换器耗能：Nre可以通过参考各产品资料获得(一般空气全热交换器在70%以上)。 整个空调系统的全年节省的总耗电量： E=T∑N=T 1×(N r+Nchw+Ncow)+T 2(9) 式中：T为全年运行小时数，h；其中T 1为夏季运行小时数，T 2为冬季运行小时数。 燃气锅炉节气量： m=3 600×(q/M)(10) q=Gf×(h 11-h 12)(11) 式中：M为燃气热值，取值为35 581 kJ/m3； q为空调系统中回收的能量，kW。 2·工程建筑案例分析 2.1工程概况 上海市某办公建筑，其建筑面积是1.9万m2，空调面积为16 500 m2，根据使用功能不同简化区域为办公区域和公共区域，其中办公区域占有70%，公共区域占有30%。建筑层高为3.6 m，总共11层，体型系数为0.35，南北朝向，窗墙比为0.4，无外遮阳，采用浅色百页窗内遮阳的遮阳系数为0.51，其围护结构参考上海新镇的围护结构(如表2所示)。 2.2建筑负荷分析 本办公建筑夏季空调室内设计温度为26℃，相对湿度为50%：冬季室内空调设计温度为20℃，相对湿度为45%，空调时间为周一～周五，8：00－20：00。照明功率为办公区域取20W/m2，公共区域取15W/m2，办公设备的功率为20 W/m2，人员密度为0.1人/m2，公共区域为0.022人/m2。 空调系统采用的是常规制冷机组(离心式制冷机组)和燃气热水锅炉，空调时间为5月～10月、12月、1月、2月。空调运行方式为室外温度低于20℃时开始供热，室外温度高于26℃时开始供冷，其余时间不开启。空调末端系统采用的是定风量系统，新风量为30 m3/(h·人)。建筑物所需要的新风量为37 917 m3/h。利用冷负荷系数法计算得到该办公建筑的设计冷负荷为1 397 kW。利用稳态法计算得到该办公建筑的冬季设计采暖负荷为801 kW。 2.3能耗分析 根据该办公建筑的设计负荷选取空调冷热源形式，结果如表3所示。 根据该办公建筑的新风量为37 917 m3/h，以及本文中所要研究的板式空气全热交换器的额定风量11 000 m3/(h·m3)，计算得到应用于该空调系统中的板换体积为3.45 m3。 在运行期间测得新风进、出口温度为35.02℃/29.10℃，排风进口温度为25.70℃；新风进、出口含湿量为21.32 g/kg/16.12 g/kg，排风进口含湿量为10.60 g/kg；新风进、出口的焓值为90.05 kJ/kg/70.55 kJ/kg，排风进口的焓值52.95 kJ/kg。 由本文1.1中的公式(1)～(3)计算得到显热效率、潜热效率和全热效率分别为64%、49%和53%。 由本文1.2中公式(11)计算得到夏季新风回收冷量为76.9 kW，冬季新风回收热量为209.7 kW。 该办公建筑采用全热交换器的空调系统全年运行过程中运行能耗的改变可根据本文1.2中的公式(4)～(10)计算，计算结果详见表4。 2.4经济性分析 采用热回收装置的空调系统进行经济方面的分析计算，求得热回收装置的投资回收期，进而评定回收装置是否具有应用价值。 空调冷(热)源的一次投资的减少值(万元)： CS=CS1-CS2=Q·ηx·εt·p t/10 000(12) 式中：CS1、CS2为使用全热交换器前后空调冷(热)源的一次投资(万元)； Q为空调系统设计，kW； ηx为空调系统新风负荷与空调系统设计冷(热)负荷之比，%； εt为全热交换器的全热交换效率，%； p t为空调冷(热)元造价(元)，离心式制冷机组取700元/kW，燃气锅炉取520元/kW[2]。 全热交换器的一次投资(万元)： Ce=Gx·Pe/10 000(13) 式中：Gx为空调系统新风量，m3/h； Pe为市场上板式空气全热交换器单位风量价格，元/(m3/h)，取值为8元。 空调冷热源的年运行费用(万元)： 式中：Ns为空调冷(热)源耗电量，kW； ηi为空调系统实际负荷与设计负荷的比例，%； T为空调系统的全年运行时间，h； λi为各种空调负荷下运行时间比例，%； Pd为电价，元/kW·h； k为ηi被划分的区间数。 空调系统冷(热)每年节省的运行费用(万元)： 式中：Co2为使用全热交换器前后的空调系统冷(热)源的年运行费用(万元)； Ns为使用全热交换器后空调系统机房设备(含全热交换器)减少的功率，kW； 电费按1元/kW·h进行计算，天然气价格按非居民的标准3.99元/m3计算。 由表4以及公式(15)计算得到空调系统年运行费用节省Co=50 658元；全热交换器的一次投资Ce=303 336元；空调系统冷热源节省的初投资为Cs=162 874元。 全热交换器的静态投资回收期： n=(Ce-Cs)/Co(16) 可得到该办公建筑的全热交换器的静态投资回收期为2.8年。 全热交换器的动态投资回收期可根据公式(17)计算得到，即3.3年。 式中：i为折现率，可以采用行业折现率或社会折现率，至少不能低于银行贷款的利率。取折现率8%(银行贷款利率五年以上为5.94%)。 3·结论 (1)从本文案例工程的空调系统的能耗分析以及对全热交换器的效率分析，采用全热交换器的空调系统具有一定的节能作用。 (2)从回收期角度进行分析得到该办公建筑的全热交换器的静态投资回收期为2.8年，即2.8年后将可获得收益；动态投资回收期为3.3年，即3.3年后将可获得收益。板式空气全热交换器在上海地区具有应用价值。 参考文献： [1]GB50189—2005,公共建筑节能设计标准[S]. [2]刘倩.夏热冬冷地区住宅小区集中于分散式供能方式的比较[D].上海:同济大学,2008. [3]金敏刚.上海地区办公建筑板式空气全热交换器的生命周期评价[D].上海:同济大学,2010. |
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